DE102012025641B3 - touch sensor - Google Patents
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Abstract
Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft, mit einem elastischen, bei Berührung verformbaren Oberflächenelement (10), ein eine Rückseite (20) des Oberflächenelements (10) beleuchtendes Beleuchtungsmittel (16), ein von der Rückseite (20) reflektierende Strahlen (22) detektierendes Detektionselement (26) und eine mit dem Detektionselement (26) verbundene Auswerteeinrichtung (27) zur Auswertung von durch Verformung des Oberflächenelements (10) hervorgerufene Veränderungen der vom Detektionselement (26) detektierten Strahlen (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (20) des Oberflächenelements nicht gleichmäßig reflektierend ausgestaltet ist, sondern ein Muster aufweist, das auf das Detektionselement (26) abgebildet wird, wobei eine Verformung des Oberflächenelements (10) eine Veränderung des abgebildeten Musters hervorruft.A touch sensor for determining a touch location and / or a force, comprising an elastic, touch-deformable surface element (10), an illumination means (16) illuminating a rear side (20) of the surface element (10), a beam reflecting from the back side (20) ( 22) detecting the detection element (26) and connected to the detection element (26) evaluation device (27) for evaluating caused by deformation of the surface element (10) changes of the detection element (26) detected rays (22), characterized in that the back (20) of the surface element is designed not uniformly reflective, but has a pattern which is imaged on the detection element (26), wherein a deformation of the surface element (10) causes a change of the imaged pattern.
Description
Die Erfindung betrifft einen Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft. Zur Detektion von Berührungen sind kapazitive und resistive Berührungssensoren bekannt. Kapazitive Berührungssensoren, wie sie beispielsweise bei Touchscreens eingesetzt werden, detektieren eine Berührung, jedoch keine Kraft. Des Weiteren muss der berührende Gegenstand selbst elektrisch leitend sein. Auch bei resistiven Berührungssensoren besteht der Nacheil, dass diese nur eine Position nicht aber eine Kraft bestimmen können. Auch sind resistive Berührungssensoren im Vergleich zu kapazitiven Berührungssensoren unsensibler bzw. ungenauer. Zur Verbesserung der Genauigkeit muss bei bekannten Berührungssensoren die Anzahl der Texelpunkte möglichst hoch sein. Dies kann durch Erhöhen der Anzahl der Elektroden oder Widerstandsbahnen erzielt werden, wobei hierbei schnell die maximale Anzahl an Kanälen der handelsüblichen Auswerteelektroniken erreicht ist.The invention relates to a touch sensor for determining a touch location and / or a force. For detecting touches, capacitive and resistive touch sensors are known. Capacitive touch sensors, such as those used in touchscreens, detect a touch, but no force. Furthermore, the touching object itself must be electrically conductive. Even with resistive touch sensors, the lag exists that they can only determine a position but not a force. Also, resistive touch sensors are less sensitive than capacitive touch sensors. To improve accuracy, the number of texel points must be as high as possible in known touch sensors. This can be achieved by increasing the number of electrodes or resistance paths, whereby in this case the maximum number of channels of commercially available evaluation electronics is quickly reached.
Berührungssensoren werden insbesondere auch bei Robotern zur Interaktion mit der Umgebung verwendet. Kapazitive oder resistive Berührungssensoren werden hierbei als ”Haut” des Roboters aufgebracht. Bei Robotern ist gefordert, dass durch den Kraftvektor eine Berührung erfasst wird und zusätzlich eine Multitouchfähigkeit besteht. Ferner besteht die Forderung, dass, wenn die Sensoren in einer Hand angeordnet sind, auch die Schwerkräfte erfasst werden, um das Gewicht eines Objekts abzuschätzen. Alternativ kann auch das Durchrutschen des Objekts in der Hand detektiert werden. Die Auswahl und Integration geeigneter Sensoroberflächenmaterialien ist hierbei äußerst schwierig. Zur Kraftmessung an der Haut eines Roboters ist es bekannt, druckempfindliche variable Widerstände einzusetzen.Touch sensors are particularly used in robots for interacting with the environment. Capacitive or resistive touch sensors are applied as the "skin" of the robot. In robots, it is required that a contact is detected by the force vector and, in addition, a multi-touch capability exists. Further, there is a requirement that when the sensors are arranged in one hand, the gravitational forces are also detected to estimate the weight of an object. Alternatively, the slippage of the object in the hand can be detected. The selection and integration of suitable sensor surface materials is extremely difficult. For force measurement on the skin of a robot, it is known to use pressure-sensitive variable resistors.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen zuverlässigen Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft zu schaffen.The object of the invention is to provide a reliable contact sensor for determining a touch location and / or a force.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Berührungssensor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft mittels des erfindungsgemäßen Berührungssensors gemäß Anspruch 10.The object is achieved by a touch sensor according to claim 1 and a method for determining a touch location and / or a force by means of the contact sensor according to the invention according to
Der erfindungsgemäße Berührungssensor zur Bestimmung eines Berührungsortes und/oder einer Kraft weist ein elastisches Oberflächenelement auf. Das Oberflächenelement wird durch die Berührung verformt. Insbesondere erfolgt ein Eindrücken eines eine dreidimensionale Kontur aufweisenden Oberflächenelements. Ferner ist ein Beleuchtungsmittel vorgesehen, das eine Rück- bzw. Innenseite des Oberflächenelements beleuchtet. Bei der Rückseite handelt es sich um die Seite, die der Vorderseite, an der die Berührung stattfindet, gegenüberliegt. Bei dem Beleuchtungsmittel kann es sich um ein Mittel handeln, das sichtbares Licht oder andere geeignete Strahlung abgibt. An der Rückseite des Oberflächenelements reflektierte Strahlung wird erfindungsgemäß durch ein Detektionselement des Berührungssensors detektiert. Mit dem Detektionselement ist eine insbesondere elektronische Auswerteeinrichtung verbunden. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung erfolgt ein Auswerten der Veränderungen der detektierten Strahlen aufgrund der Verformung des Oberflächenelements. Durch die Verformung des Oberflächenelements erfolgt ein Verformen der Rückseite des Oberflächenelements, so dass die Strahlen, die auf diesem Bereich der Rückseite auftreffen, in andere Richtungen reflektiert werden. Eine Verformung des Oberflächenelements bewirkt somit eine partielle Verschiebung der von dem Detektionselement detektierten Reflektionsstrahlen. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung kann diese Veränderung ermittelt und auf Basis der Veränderung ein Berührungsort und/oder eine Kraft bestimmt werden.The touch sensor according to the invention for determining a touch location and / or a force has an elastic surface element. The surface element is deformed by the touch. In particular, pressing in of a surface element having a three-dimensional contour takes place. Furthermore, a lighting means is provided which illuminates a back or inside of the surface element. The back side is the side opposite the front side where the touch takes place. The illumination means may be an agent that emits visible light or other suitable radiation. Radiation reflected at the back of the surface element is inventively detected by a detection element of the touch sensor. The detection element is connected to a particular electronic evaluation device. With the aid of the evaluation device, the changes in the detected beams due to the deformation of the surface element are evaluated. The deformation of the surface element deforms the back surface of the surface element so that the rays impinging on this region of the back side are reflected in other directions. Deformation of the surface element thus causes a partial displacement of the reflection rays detected by the detection element. With the aid of the evaluation device, this change can be determined and based on the change, a touch location and / or a force can be determined.
In bevorzugter Ausführungsform ist das Oberflächenelement sphärisch, insbesondere als Halbkugel ausgebildet. Bevorzugt ist es ferner, dass das Beleuchtungsmittel innerhalb eines durch das Oberflächenelement gebildeten, insbesondere hohlen Raums angeordnet ist. In besonderer Ausführungsform ist das Beleuchtungsmittel somit innerhalb des sphärisch ausgebildeten Oberflächenelements angeordnet. Ebenso ist es bevorzugt, dass auch das Detektionselement innerhalb des Oberflächenelements angeordnet ist, wobei vorzugsweise sowohl das Beleuchtungsmittel als auch das Detektionselement im Zentrum des durch das Oberflächenelements gebildeten Raums angeordnet sind. Bei einem sphärischen Oberflächenelement ist das Beleuchtungsmittel sowie das Detektionselement somit im Wesentlichen im Bereich des Mittelpunkts angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet, dass die von der Beleuchtungseinrichtung abgegebene Strahlung bei unverformtem Oberflächenelement im Wesentlichen vollständig auf das Detektionselement reflektiert wird. Dies hat den Vorteil, dass bereits kleine Berührungen und hierdurch hervorgerufene kleine Änderungen der Form des Oberflächenelements detektiert werden können.In a preferred embodiment, the surface element is spherical, in particular formed as a hemisphere. It is further preferred that the illumination means is arranged within a, in particular hollow space formed by the surface element. In a particular embodiment, the illumination means is thus arranged within the spherically formed surface element. Likewise, it is preferred that the detection element is also arranged within the surface element, wherein preferably both the illumination means and the detection element are arranged in the center of the space formed by the surface element. In the case of a spherical surface element, the illumination means and the detection element are thus arranged substantially in the region of the center. This ensures that the radiation emitted by the illumination device is reflected substantially completely on the detection element when the surface element is undeformed. This has the advantage that even small touches and thereby caused small changes in the shape of the surface element can be detected.
Erfindungsgemäß ist die Innen- bzw. Rückseite des Oberflächenelements nicht gleichmäßig reflektierend ausgestaltet, sondern mit einem Muster versehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Streifen- oder Flächenmuster handeln. Das Muster wird auf dem Detektionselement abgebildet. Insofern ist es möglich eine Veränderung des Musters, die durch Verformen des Oberflächenelements hervorgerufen wird, zu detektieren und aus der Veränderung wiederum mit Hilfe der Auswerteeinrichtung Rückschlüsse auf den Berührungsort und/oder eine Kraft zu zielen. In dieser Ausführungsform ist die Rückseite des Oberflächenelements vorzugsweise diffus reflektierend ausgebildet. Des Weiteren ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt zusätzlich eine Linse vorzusehen, durch die die reflektierten Strahlen auf das Detektionselement abgebildet werden. Als Beleuchtungsmittel können ein oder mehrere LED's vorgesehen sein. Bei dem Detektionselement handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um einen lichtempfindlichen Sensor, wie beispielsweise einen Kamerachip.According to the invention, the inner or rear side of the surface element is not uniformly reflective, but provided with a pattern. This may, for example, be a stripe or area pattern. The Pattern is displayed on the detection element. In this respect, it is possible to detect a change in the pattern caused by deformation of the surface element, and in turn to use the evaluation device to draw conclusions about the location of contact and / or a force from the change. In this embodiment, the back of the surface element is preferably formed diffusely reflective. Furthermore, it is preferable in this embodiment additionally to provide a lens through which the reflected beams are imaged onto the detection element. As illumination means, one or more LEDs may be provided. In the preferred embodiment, the detection element is a photosensitive sensor, such as a camera chip.
Des Weiteren kann innerhalb des durch das Oberflächenelement gebildeten Raums ein Drucksensor angeordnet sein. Durch die Messung des Drucks, der sich bei einer entsprechenden Verformung des Oberflächenelements erhöht, kann ebenfalls eine Kraftbestimmung erfolgen. Diese kann anstelle der durch das Detektionselement und die Auswerteeinrichtung ermittelten Kraft oder zur Verifizierung der ermittelten Kraft genutzt werden. Auch kann eine Kombination der durch den Drucksensor gemessenen Kraft und der durch die Auswerteeinrichtung und das Detektionselement ermittelten Kraft kombiniert werden, so dass die Genauigkeit erhöht wird.Furthermore, a pressure sensor can be arranged within the space formed by the surface element. By measuring the pressure, which increases with a corresponding deformation of the surface element, a force determination can also be made. This can be used instead of the force determined by the detection element and the evaluation device or for verification of the determined force. Also, a combination of the force measured by the pressure sensor and the force determined by the evaluation device and the detection element can be combined, so that the accuracy is increased.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Oberflächenelement mehrschichtig, insbesondere dreischichtig ausgebildet. Die unterschiedlichen Schichten, bei denen es sich insbesondere um Schichten aus Silikon oder Silikon-Verbundwerkstoffen handelt, sind vorzugsweise eingefärbt und weisen unterschiedliche Härten, insbesondere unterschiedliche Shorehärten auf. Ebenso ist es möglich, die Kraft einer bestimmten Farbe zuzuordnen. Dies ist dadurch möglich, dass durch Verformung der Schichten eine Veränderung der Farbdichte erfolgt. Dies bewirkt auch ein Verändern der Filtereigenschaften des durch diese Schicht hindurch dringenden Lichts. Werden nun beispielsweise drei Schichten unterschiedlicher Härte und unterschiedlicher Farbe von Licht durchdrungen, erfolgt mittels der Veränderung des Drucks von außen auf alle Schichten eine unterschiedliche Farbmischung.In a further preferred embodiment, the surface element is multi-layered, in particular three-layered. The different layers, which are in particular layers of silicone or silicone composite materials, are preferably colored and have different hardnesses, in particular different Shore hardnesses. It is also possible to assign the force of a particular color. This is possible because deformation of the layers causes a change in the color density. This also causes a change in the filter properties of the light passing through this layer. If, for example, three layers of different hardness and different color are penetrated by light, a different color mixture takes place by means of the change in pressure from the outside to all layers.
Zur Bestimmung des Berührungsorts und/oder einer Kraft wird in einer ersten Ausführungsform die reflektierte Strahlung gemessen. Aufgrund einer Musterveränderung, insbesondere einer Musterverzerrung kann eine Verformung des Oberflächenelements ermittelt werden. Die Musterveränderung ist bei einem flächigen Detektionselement ebenfalls flächig. Durch Bestimmen des Zentrums kann ein Rückschluss auf den Berührungsort gezogen werden. Die Flächenausdehnung repräsentiert die Kraft der Berührung, da über die Kraft der Berührung eine umso stärkere Verformung des Oberflächenelements und somit eine Vergrößerung der Flächenausdehnung erfolgt.In order to determine the contact location and / or a force, the reflected radiation is measured in a first embodiment. Due to a pattern change, in particular a pattern distortion, a deformation of the surface element can be determined. The pattern change is also flat in a planar detection element. By determining the center, a conclusion can be drawn on the touch location. The surface area represents the force of the contact, since the force of the contact causes an even greater deformation of the surface element and thus an increase in the surface area.
Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Berührungssensor für die Verwendung bei Robotern, da mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Berührungssensors auf einfache Weise sowohl ein Berührungsort als auch eine Kraft detektiert werden können. Dies ist insbesondere auf kleinem Raum möglich.Particularly suitable is the touch sensor according to the invention for use in robots, since with the help of this touch sensor according to the invention both a touch location and a force can be detected in a simple manner. This is possible in particular in a small space.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Der in
Hierdurch ergibt sich der in
Bei der in
Bei der in
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an der Rückseite
In beiden Ausführungsformen ist es möglich, dass innerhalb des Raums
Bei der in
Sofern das Oberflächenelement
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2012
- 2012-02-28 DE DE102012025641.8A patent/DE102012025641B3/en active Active
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